異形落底式地下連續(xù)墻阻滲作用分析?

楊彥子，唐 紅，黃云浩

（武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430081）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加速，城區(qū)面積不斷擴(kuò)大，人口密度急劇增大，現(xiàn)代高層建筑更加重視立體空間的使用。 建設(shè)垂直空間的重點(diǎn)之一為地下空間建設(shè)，地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)可為地下空間阻水、擋土。 其中，落底式地下連續(xù)墻為我國(guó)常用的超高層建筑地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)［1］，其優(yōu)點(diǎn)為機(jī)械施工振動(dòng)較小、噪聲低、墻體剛度大、防滲性能優(yōu)異、適用多種地基條件、能充分利用土地資源、貼近建筑紅線，因此城市高層建筑地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常常選擇地下連續(xù)墻作為建筑擋水結(jié)構(gòu)。 而當(dāng)今發(fā)展條件下，城區(qū)內(nèi)施工環(huán)境日益復(fù)雜，使用矩形地下連續(xù)墻會(huì)損失部分土地使用率，造成土地資源的浪費(fèi)；矩形結(jié)構(gòu)的地下連續(xù)墻雖然施工方法簡(jiǎn)單成熟，但容易破壞地下水滲流路徑，對(duì)長(zhǎng)江重補(bǔ)給城市地下水資源造成阻礙。

現(xiàn)階段對(duì)于異形落底式地下連續(xù)墻的研究有所欠缺，目前常見(jiàn)的仍為矩形地下連續(xù)墻。 孫淑賢［2］基于理論數(shù)學(xué)模型和試驗(yàn)的方式研究發(fā)現(xiàn)，增加止水帷幕的插入深度會(huì)增加地下水的繞滲路徑，且地下水在止水帷幕下方的繞滲速度加快，流速高造成水頭損失加大，易發(fā)生流砂現(xiàn)象；同時(shí)基坑下部產(chǎn)生較大水力坡度，而基坑外水頭損失不大，從而形成相當(dāng)大的滲流力，對(duì)基坑底部的穩(wěn)定性不利。 黃阜等［3］基于有限差分法分析了地下水滲流效應(yīng)對(duì)基坑開(kāi)挖的影響，并且用有限差分法對(duì)地下水滲流場(chǎng)進(jìn)行了模擬。 顧?。?］和趙宇亭［5］基于工程實(shí)例與現(xiàn)有施工工法分析了異形地下連續(xù)墻的施工難點(diǎn)，特別是異形槽段開(kāi)挖階段轉(zhuǎn)角的處理問(wèn)題。 張凱華［6］根據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)計(jì)算出地下水滲流造成滯水區(qū)時(shí)對(duì)周邊土體的影響半徑及形成“池盆效應(yīng)”可能造成的破壞。 秦明霞［7］根據(jù)工程案例設(shè)計(jì)了一套地下水加壓試驗(yàn)系統(tǒng)，根據(jù)試驗(yàn)得出基坑施工過(guò)程中地下水滲流對(duì)土的抗剪強(qiáng)度的影響，其中土體顆粒在滲流作用下會(huì)產(chǎn)生一定的固結(jié)錯(cuò)位移動(dòng)，提升了土顆粒間的連鎖效應(yīng)，增強(qiáng)了破壞力。 地下水滲流的速度變化與水壓差對(duì)落底式地下連續(xù)墻周邊土體造成的影響是不可忽視的，而地下連續(xù)墻的建設(shè)反過(guò)來(lái)又會(huì)影響地下水的滲流路徑，造成地下滯水區(qū)的形成，加劇了流速差值與水壓差值的變化。 異形落底式地下連續(xù)墻在幾何形狀上為防止破壞地下水滲流路徑而設(shè)計(jì)，在截?cái)嗟叵滤魍窂絾?wèn)題上盡量削弱影響，保護(hù)周邊地表建筑，最大程度利用建筑紅線內(nèi)的土地資源。 隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，異形落底式地下連續(xù)墻的施工方案在經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本上的劣勢(shì)也得以改善，因此是一種值得研究的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。

本文對(duì)比了不同異形地下連續(xù)結(jié)構(gòu)在地下水影響作用下產(chǎn)生的滲透力，以分析不同幾何結(jié)構(gòu)對(duì)水土流失及工程風(fēng)險(xiǎn)的改善作用。

1 阻滲分析

1.1 模型設(shè)計(jì)

利用COMSOL 有限元軟件進(jìn)行模擬，以長(zhǎng)800m、寬300m 的矩形土層作為模擬的基礎(chǔ)流場(chǎng)，以長(zhǎng)164m、寬130m、墻厚2m 的落底式地下連續(xù)墻為基礎(chǔ)地下結(jié)構(gòu)，并在四角分別進(jìn)行不同程度的切角與倒圓角，形成止水帷幕形狀不同的數(shù)種工況。

實(shí)際工程中的滲流多為平面問(wèn)題，故建立二維滲流模型。 流場(chǎng)內(nèi)地下水滲流規(guī)律符合達(dá)西定律的慢速滲流狀態(tài)，土體模型忽略氣體對(duì)水流的影響，故為飽和土。 根據(jù)不可壓縮流體的假設(shè)和水流連續(xù)條件，在體積不變的條件下，飽和土流入微單元的水量必須等于流出的水量［6］。 與異形落底式地下連續(xù)墻聯(lián)合后的水土聯(lián)合體采取流固耦合-固定幾何的模擬接口，刪除微小影響因子，著重分析異形幾何結(jié)構(gòu)對(duì)地下水的阻滲效果，具體評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)為滲透變形量和滲流速度。 因存在江堤等構(gòu)筑物阻擋，故不考慮湍流情況；固體力學(xué)接口不考慮地下水對(duì)落底式地下連續(xù)墻的力學(xué)作用，只分析幾何結(jié)構(gòu)對(duì)地下水的截流阻滲效力，故設(shè)定為剛體無(wú)滑移外壁。

1.2 無(wú)切面矩形落底式地下連續(xù)墻

地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)模型如圖1 所示。

地下連續(xù)墻四周土體為滲流場(chǎng)發(fā)生區(qū)域，將模型的層流場(chǎng)和固體力學(xué)部分進(jìn)行全耦合，形成的模擬滲流場(chǎng)如圖2 所示。

圖2 無(wú)切面矩形地下連續(xù)墻滲流場(chǎng)（單位：m／s）Fig.2 Seepage field of no cut surface rectangular drop-bottom diaphragm wall （unit： m／s）

地下水滲流在經(jīng)過(guò)地下結(jié)構(gòu)時(shí)，地下水的滲流路徑被大幅度改變，地下水的流速在迎水面上大幅度減小，在迎水面的轉(zhuǎn)角處則大幅度增加，最大流速為18.372×10－4m／s，迎水面最小流速接近于停滯且存在回流，流速為－6.64×10－4m／s，可能存在蓄水區(qū)，滲流速度差為25.012×10－4m／s。 滲流水在迎水面會(huì)出現(xiàn)較大的流速差值，產(chǎn)生因流速不一致而出現(xiàn)的滲透力。

輸入孔隙水壓力后，結(jié)果如圖3 所示。 由圖可知，無(wú)切面落底式地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)四周的孔隙水壓力梯度值為－108 ～－213N／m3，最大值與最小值的差值為105N／m3，存在滲透破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 無(wú)切面矩形落底式地下連續(xù)墻孔隙水壓力場(chǎng)（單位：N／m3）Fig.3 Pore water pressure field of no cut surface rectangular drop-bottom diaphragm wall （unit： N／m3）

1.3 異形落底式地下連續(xù)墻

1.3.1 模型建立

模擬以切除矩形結(jié)構(gòu)四角為基礎(chǔ)，構(gòu)造異形落底式地下連續(xù)墻，其幾何特征為一次切面、二次切面及全圓弧面。 其中，墻體厚度與深度和原矩形地下連續(xù)墻相同，并放入相同的滲流場(chǎng)中，輸入達(dá)西流數(shù)值后，模擬滲流影響。

模擬時(shí)，由于只考慮滲流場(chǎng)影響，故不定義幾何體本身屬性，如滲透系數(shù)、材料剛度、滑移度等數(shù)值，著重考慮幾何體對(duì)滲流路徑及孔隙水壓力的影響。 建模形成3 種異形落底式地下連續(xù)墻，如圖4所示。

圖4 不同形式的落底式地下連續(xù)墻Fig.4 Different forms of drop-bottom diaphragm wall

1）第1 種是將無(wú)切面矩形落底式地下連續(xù)墻的4 個(gè)角等邊切除，縮進(jìn)半徑為20m，形成一次切面的異形落底式地下連續(xù)墻。

2）第2 種是將一次切面的異形落底式地下連續(xù)墻的折角再次等邊切除，縮進(jìn)半徑為17.5m，形成二次切面的異形落底式地下連續(xù)墻，其設(shè)置目的是為了試驗(yàn)極端設(shè)計(jì)下的幾何結(jié)構(gòu)是否存在邊界效應(yīng)，以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)并得到工程造價(jià)、工期與結(jié)構(gòu)效能之間互相平衡后的最優(yōu)解。

3）第3 種是將無(wú)切面矩形落底式地下連續(xù)墻的4 個(gè)角設(shè)置成圓弧面，形成全圓弧面異形落底式地下連續(xù)墻，設(shè)置目的是模擬環(huán)形地下結(jié)構(gòu)對(duì)地下水滲流路徑的影響。

1.3.2 達(dá)西速度場(chǎng)模擬

將3 種異形落底式地下連續(xù)墻的幾何模型放入低速流場(chǎng)，水頭差設(shè)置為長(zhǎng)江豐水期最大承壓水位，以考慮極限狀態(tài)，模擬結(jié)果如圖5 所示。

根據(jù)模擬結(jié)果可知，滲流在經(jīng)過(guò)一次切面異形落底式地下連續(xù)墻時(shí)的流速相較于無(wú)切面矩形落底式地下連續(xù)墻的流速差值有所改善，其迎水面切面折角處最大流速為16.176×10－4m／s，最小流速為－5.94×10－4m／s，滲流速度差為22.116×10－4m／s，相較于矩形無(wú)切面落底式地下連續(xù)墻，滲流速度最大值與最小值的差值下降11.58%。

在經(jīng)過(guò)二次切面異形落底式地下連續(xù)墻時(shí)，其地下水滲流流速差值進(jìn)一步減小，其迎水面切面折角處最大流速為 13.027 × 10－4m／s， 最小流速為－6.019×10－4m／s，滲流速度差為19.046×10－4m／s，相較于一次切面落底式地下連續(xù)墻下降13.88%，與矩形地下連續(xù)墻相比，滲流速度的最大值與最小值的差值下降23.85%。

全圓弧面落底式地下連續(xù)墻的情況并未使達(dá)西流的流速差下降，其迎水面圓弧面處最大流速15.48×10－4m／s，最小流速為－6.395 5×10－4m／s，滲流速度差為21.875×10－4m／s，與二次切面異形地下連續(xù)墻相比流速差有所上升，滲流速度的最大值與最小值的差值下降14.9%。

1.3.3 孔隙水壓力模擬

將3 種模型接入孔隙水壓力環(huán)境，結(jié)果如圖6所示。

圖6 地下連續(xù)墻孔隙水壓力場(chǎng)（單位：N／m3）Fig.6 Pore water pressure field of diaphragm wall （unit： N／m3）

在同等單元體大小的情況下，一次切面落底式地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)四周的孔隙水壓力在－107 ～－173N／m3，最大值與最小值之間的差值為66N／m3，對(duì)比無(wú)切面矩形地下連續(xù)墻的數(shù)據(jù)，壓力差值下降了37.1%，有效改善了因壓力差值產(chǎn)生的顆粒對(duì)水阻力，同時(shí)降低發(fā)生滲透破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

二次切面落底式地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)四周孔隙水壓力在－105 ～－143N／m3，最大值與最小值之間的差值為38N／m3，對(duì)比一次切面落底式地下連續(xù)墻，壓力差值下降了42.4%，對(duì)比無(wú)切面矩形落底式地下連續(xù)墻，壓力差值則下降了63.8%，高低壓力差值進(jìn)一步下降，且下降幅度明顯，大幅度改善了地下水滲透環(huán)境。

全圓弧面落底式地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)四周的孔隙水壓力梯度值為－104 ～－142N／m3，最大值與最小值之間的差值為38N／m3，對(duì)比二次切面落底式地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)并沒(méi)有變化，說(shuō)明改善效果存在邊界效應(yīng)，在制造成本與結(jié)構(gòu)性能間存在平衡。

2 地下結(jié)構(gòu)群對(duì)環(huán)境的影響

武漢位于長(zhǎng)江中下游地區(qū)，長(zhǎng)江對(duì)武漢城區(qū)地下水、周邊地下工程施工以及地下結(jié)構(gòu)物滲漏的影響是不可忽視的，尤其是超高層建筑的地下工程。

對(duì)于臨江地下工程而言，孔隙承壓水主要賦存于場(chǎng)區(qū)中部砂土層中，工程基坑邊線距長(zhǎng)江親水平臺(tái)臨水側(cè)距離較近，場(chǎng)區(qū)孔隙承壓水與長(zhǎng)江水體存在密切的水力的聯(lián)系，水量豐富，在長(zhǎng)江豐水期，江水補(bǔ)給地下水，反之地下水補(bǔ)給江水，年變幅隨距江邊距離的增大而減小。 在1—3 月承壓水位較低，枯水期（2 月）承壓水位一般為11.600 ～15.000m，7—9 月承壓水位較高，豐水期（8 月）承壓水位一般為20.400 ～22.800m［8］。 地下水徑流相應(yīng)表現(xiàn)為每年豐水期地下水由長(zhǎng)江向階地內(nèi)側(cè)流動(dòng)、反之地下水從階地向長(zhǎng)江流動(dòng)，在長(zhǎng)江平水期，地下水的徑流速度極為緩慢。 在一般的臨江工程項(xiàng)目中，每年長(zhǎng)江枯水期是地下水排泄的主要時(shí)段。

隨著臨江建筑的不斷修建，地下結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)加深且密集化的趨勢(shì)，對(duì)地下水的滲流路徑造成影響，在長(zhǎng)江豐水期影響地下水由長(zhǎng)江向城區(qū)補(bǔ)充，而枯水期則影響地下水由城區(qū)向長(zhǎng)江回流。 當(dāng)長(zhǎng)江進(jìn)入豐（枯）水期時(shí)，地下水滲流量增加，臨江地下結(jié)構(gòu)物會(huì)對(duì)地下水的滲流路徑造成阻擋，使局部孔隙水壓力提高，壓力差擴(kuò)大，相對(duì)滲流速度差值變化較大，從而使長(zhǎng)江兩岸土地的地下水環(huán)境劣化，且在地下結(jié)構(gòu)周邊的低速滲流會(huì)造成一定程度的地下積水，對(duì)周邊土體造成影響，可能使其性狀較工程勘測(cè)時(shí)期發(fā)生改變，留下隱患。 因此，地下結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)之初，應(yīng)適當(dāng)考慮地下結(jié)構(gòu)對(duì)地下水滲流路徑及周邊地下水環(huán)境的影響，在環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)效益之間尋求平衡點(diǎn)，以減少隱患，并達(dá)到環(huán)境友好的目的。

3 案例分析

楚商大廈由1 棟超高層主塔樓及裙房組成（見(jiàn)圖7），項(xiàng)目規(guī)劃總用地面積29 193.41m2，總建筑面積548 338.28m2。 其中主塔樓108 層，地面以上高475.90m；裙房為19 層，地面以上高79.50m。

圖7 楚商大廈效果Fig.7 Effect of Chushang Mansion

場(chǎng)地地下水類(lèi)型主要有上層滯水、孔隙承壓水及基巖裂隙水。 上層滯水主要賦存于第1 層填土中，該層地下水與下部砂性土層中的孔隙承壓水被黏性土阻隔，主要來(lái)自大氣降水及城市管道滲漏補(bǔ)給［9-10］，水位受季節(jié)性控制，隨季節(jié)而變化，無(wú)統(tǒng)一水位線，水量不大。 勘察期間測(cè)得上層滯水水位埋深0.300 ～3.500m，水位標(biāo)高22.990 ～23.480m，根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料及臨近場(chǎng)區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)，場(chǎng)區(qū)內(nèi)的孔隙承壓水水位標(biāo)高年變化幅度一般為3.000 ～5.000m，洪水期水位標(biāo)高年變化幅度可達(dá)到8.000～10.000m。

楚商大廈采用地下連續(xù)墻作為止水帷幕，地下連續(xù)墻布置如圖8 所示，因考慮復(fù)雜地下水環(huán)境，落底式地下連續(xù)墻的西北、西南角采取切面設(shè)計(jì)，考慮到地下水滲流路徑的疏導(dǎo)作用以防止地下積水造成的路面下陷，還考慮了最大化使用紅線內(nèi)的用地面積，減少土地浪費(fèi)，且使用了TRD（trench cutting re-mixing deep wall method）工法樁，在保證施工質(zhì)量與效率的同時(shí)，完成異形結(jié)構(gòu)的施工。

圖8 楚商大廈地下連續(xù)墻平面Fig.8 Diaphragm wall plane of Chushang Mansion

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)3 種不同幾何結(jié)構(gòu)的異形落底式地下連續(xù)墻的多物理場(chǎng)進(jìn)行模擬和對(duì)比，主要得出以下結(jié)論。 當(dāng)優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)時(shí)，地下結(jié)構(gòu)對(duì)周?chē)馏w地下水流速的影響可以降低，其中一次切面落底式地下連續(xù)墻周?chē)馏w的地下水滲流速度差的峰值相比于矩形落底式地下連續(xù)墻下降11.58%，有效減小滲流速度差，減少了低速滲流造成積水區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)，減少了長(zhǎng)江向地下水重補(bǔ)給過(guò)程的干擾；而孔隙水壓力差值相比于矩形落底式地下連續(xù)墻下降37.1%，有效降低了地下水對(duì)土體骨架的滲透力影響，降低了滲透破壞的風(fēng)險(xiǎn)。 二次切面落底式地下連續(xù)墻周?chē)馏w的地下水滲流速度差的峰值相比于矩形落底式地下連續(xù)墻下降23.85%，進(jìn)一步降低了滲流速度差，對(duì)地下水滲流路徑的干擾進(jìn)一步減小；孔隙水壓力差值相比于矩形落底式地下連續(xù)墻下降63.8%，效果相較于一次切面落底式地下連續(xù)墻更為明顯。 而全圓弧面落底式地下連續(xù)墻對(duì)地下水滲流速度差的優(yōu)化程度與二次切面接近，對(duì)孔隙水壓力差值優(yōu)化程度與二次切面近乎相同，說(shuō)明地下連續(xù)墻的幾何結(jié)構(gòu)改進(jìn)效果存在邊界效應(yīng)，在優(yōu)化效果與施工成本之間可以取一個(gè)平衡點(diǎn)，不用一味追求幾何結(jié)構(gòu)上的改變。

隨著武漢沿江地區(qū)開(kāi)發(fā)的不斷深入，高層和超高層建筑在沿江區(qū)域的不斷建設(shè)，地下結(jié)構(gòu)的密度和深度也不斷增加，同時(shí)，新型施工工法與施工機(jī)具也日益更新?lián)Q代。 相較于普通的矩形落底式地下連續(xù)墻，異形落底式地下連續(xù)墻在施工難度上已經(jīng)降低，采用TRD 或MJS 等工法來(lái)進(jìn)行施工，在控制成本與進(jìn)度的同時(shí)對(duì)環(huán)境更加友好。